面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的傳熱學綜合實驗平臺建設與實驗模式探索

胡剛剛，楊志平

（華北電力大學熱能與動力工程國家級實驗教學示范中心，北京 102206）

0 引言

現(xiàn)代高等教育必須以能力、素質培養(yǎng)為核心，突出培養(yǎng)學生的科學精神、創(chuàng)造性思維和科研能力。當代教育的一個重大轉變是從強調傳授知識和技能轉到重視學生的主動學習［1］。培養(yǎng)創(chuàng)新人才是高等教育的戰(zhàn)略目標之一，關系到國家經(jīng)濟社會發(fā)展和核心競爭力的提高，關系到建設創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)［2］。實驗室是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的重要基地，實驗教學是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要手段，在實驗室里，學生通過學習實驗課程、參與實驗項目研究，獲得更多動手和動腦機會，透過現(xiàn)象挖掘本質，學會分析問題、解決問題的基本方法，不斷增進對知識的理解，找到新的突破點，使創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維得到提高［3］。高校實驗室的建設與管理水平直接反映了學校的教學水平和科研實力。開放實驗室體系的構建是實踐教學模式改革的重要體現(xiàn)，是高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的必由之路，對提升學生的自主創(chuàng)新能力和實踐能力有著重要的意義［4］。“雙一流”為高校實驗室建設注入了新的內涵，也提出了新的更高要求，實驗室建設與運行管理必須打破傳統(tǒng)模式，強化內涵式發(fā)展，才能更好地助力“雙一流”建設［5］。

熱工課程以研究熱能的有效利用及轉換與傳遞規(guī)律為基本內容，在工科許多大類專業(yè)的人才培養(yǎng)中具有重要地位。在我國，熱工基礎課程一般指工程熱力學與傳熱學兩門課程。工程熱力學與傳熱學已經(jīng)成為歐美國家機械類學生的必修課，有的學校還設為工科學生的基礎課。在境外的高等工程教育中，傳熱學與熱力學課程的開設相當普遍。作為應用科學，實驗教學無疑是完整的課程教學的組成部分［6］。傳熱學作為研究熱量及質量傳遞規(guī)律的工程技術科學，是能源與動力工程專業(yè)主要的專業(yè)基礎課程，通過這門課的學習可以達到兩個目的：①使學生獲得比較寬廣和鞏固的熱量和質量傳遞規(guī)律的基本知識，具備分析工程傳熱與傳質問題的基本能力，掌握計算工程傳熱與傳質問題的基本方法；②為學生以后從事熱能的合理利用和轉換、熱工設備效能優(yōu)化以及換熱器的設計等方面的工作，打下堅實的基礎［7］。長期以來，傳熱學實驗多以理論驗證為主，沒有體現(xiàn)出設計性和創(chuàng)新性。學生被動接受教師安排，實驗過程按部就班地完成規(guī)定程序，自主性和個性發(fā)展被埋沒［8］。現(xiàn)代課程觀認為，課程是學生自己的體驗過程，教師要把學生的學習組織好，給予學生有效的指導和幫助，課程教學過程是學生自我學習和發(fā)展過程，如果學生沒有自主學習、自我發(fā)展，學生的學習和成長是很難真正達到高水平［9］。

1 創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式探索

2008 年，為全面貫徹黨的教育方針，落實教育部《關于加快研究型大學建設增強高等學校自主創(chuàng)新能力的若干意見》（教技〔2007〕5 號）精神，積極探索培養(yǎng)適應社會發(fā)展需求、德智體全面發(fā)展的高素質拔尖創(chuàng)新人才的有效途徑，我校在能源動力與機械工程學院設立本科創(chuàng)新人才培養(yǎng)實驗班，按照“厚基礎、寬口徑、強能力”的原則，強化創(chuàng)新能力、實踐能力，提高實驗內容的層次，開設綜合性實驗課程。2012 年，按照教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”，學校積極探索多層次“卓越計劃”人才培養(yǎng)體系，構建工程創(chuàng)新型和工程實踐型人才培養(yǎng)模式。①工程創(chuàng)新型：以現(xiàn)有創(chuàng)新人才培養(yǎng)實驗班為基礎，強化研究與創(chuàng)新，實施“課內外統(tǒng)合、學研雙驅”培養(yǎng)模式，實行導師制、個性化培養(yǎng)方案。強化數(shù)理基礎，注重綜合能力和研究能力培養(yǎng)。②工程實踐型：實施“學行并重、校企聯(lián)合”培養(yǎng)模式，強化工程實踐，注重企業(yè)實踐環(huán)節(jié)，培養(yǎng)方案由校企雙方共同制定。加強學科基礎與專業(yè)基礎，注重解決現(xiàn)場工程問題能力、開發(fā)能力和設計能力培養(yǎng)。2018 年，由我校和中國科學院工程熱物理研究所聯(lián)合創(chuàng)辦吳仲華學院，致力于培養(yǎng)動力工程及工程熱物理學科的杰出人才，探索具有我校特色的創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式。

2 傳熱學綜合創(chuàng)新實驗平臺建設

工程熱力學、傳熱學是能源動力類專業(yè)的核心課程，而傳熱學理論與實驗的聯(lián)系更為密切，可以開設的實驗數(shù)量也更多，建設什么樣的實驗臺，采用怎樣的實驗教學模式，需要綜合考慮學生人數(shù)、資金投入、培養(yǎng)目標等因素，適應能源動力類專業(yè)拔尖創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標，建設的實驗平臺要有較高的安全可靠性，方便操作，測試儀表精度應高于普通實驗要求，熱能與動力工程國家級實驗教學示范中心，利用教育部改善基本辦學條件經(jīng)費，購置英國希爾頓綜合傳熱實驗臺，同時將本中心教師的科研實驗進行轉化，自制研發(fā)適合于本科生開展綜合創(chuàng)新實驗，具體建設的傳熱學綜合創(chuàng)新實驗平臺包括11 個實驗模塊，如表1 所示。

表1 傳熱學綜合創(chuàng)新實驗平臺模塊構成

（1）線性導熱模塊（見圖1）。該模塊主要用于：①測量熱量通過均勻平面壁面穩(wěn)態(tài)傳導的溫度分布，并論證熱流變化的影響；②了解傅里葉導熱方程在固體材料的一維穩(wěn)態(tài)熱流率的應用；③測量熱量通過復合平面壁面的穩(wěn)態(tài)傳導的溫度分布，確定熱量通過不同材料組合時的總傳熱系數(shù)；④測定金屬試樣的導熱系數(shù)；⑤證明在恒定導熱系數(shù)的固體材料中，溫度梯度與一維熱流的橫截面積成反比。

圖1 線性導熱模塊

（2）徑向導熱模塊（見圖2）。該模塊主要用于：①測量通過厚壁圓筒壁的熱能穩(wěn)態(tài)傳導的溫度分布（徑向能量流），并證明熱流變化的影響；②了解傅里葉速率方程在確定熱能通過厚圓柱體壁的穩(wěn)態(tài)傳導（徑向能量流）的熱流速率中的應用，以及使用該方程確定圓盤材料的熱導率。

圖2 徑向導熱模塊

（3）擴展的表面?zhèn)鳠崮K（見圖3）。該模塊主要用于：①測量沿延伸表面的溫度分布，并將結果與理論分析進行比較；②計算由自由對流和輻射換熱組合方式產(chǎn)生的擴展表面的傳熱，并與理論分析進行比較；③確定棒材料的導熱系數(shù)。

圖3 擴展的表面?zhèn)鳠崮K

（4）液體和氣體熱導率測量模塊（見圖4）。該模塊主要用于：液體或氣體的熱導率測定。

圖4 液體和氣體熱導率測量模塊

（5）非穩(wěn)態(tài)導熱模塊（見圖5）。該模塊主要用于：①當對形狀表面的溫度進行階躍變化時，觀察熱向固體形狀中心的非穩(wěn)態(tài)傳導；②使用分析的瞬態(tài)溫度/熱流圖來確定固體圓柱體的導熱系數(shù)；③研究形狀、尺寸和材料性能對非定常熱流的影響；④瞬態(tài)溫度分析的集總熱容法研究。

圖5 非穩(wěn)態(tài)導熱模塊

（6）平板、圓管和翅片自由和強制換熱模塊（見圖6）。該模塊主要用于：①研究輸入電源在自然對流情況下與表面溫度變化的關系；②研究輸入電源在強制對流情況下與表面溫度變化的關系；③研究試件表面積對改善換熱器的作用；④測量試件擴展表面的溫度分布。

圖6 平板、圓管和翅片自由和強制換熱模塊

（7）沸騰換熱模塊（見圖7）。該模塊主要用于：①對流沸騰、核沸騰和膜沸騰的可視化演示；②定壓條件下臨界條件及臨界條件外熱流和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的測定；③壓力對臨界熱流密度影響的研究；④膜狀冷凝的演示和總傳熱系數(shù)的測量。

圖7 沸騰換熱模塊

（8）輻射傳熱模塊（見圖8）。該模塊主要用于：①測定輻射強度與到輻射表面距離的平方成反比（熱輻射的平方反比定律）；②測定輻射強度與輻射表面溫度的四次方成正比（斯忒藩-玻爾茲曼定律）；③確定輻射計測量的輻射強度與輻射表面和輻射計之間的視角因素之間的關系；④確定不同拋光程度（即磨光和灰度（鍍銀））表面的發(fā)射率并與黑體表面的發(fā)射率比較；⑤測定相互接近的表面的發(fā)射率如何影響表面溫度和輻射傳熱；⑥驗證基爾霍夫定律的正確性，即灰體表面的發(fā)射率等于與其他表面處于熱平衡時的吸收率；⑦測定兩個表面間的輻射傳熱量與它們之間的相互位置關系；⑧測定表面的照度與光源和表面之間距離的平方成反比（光照的平方反比定律）；⑨測定向任意方向單位角度內輻射的能量等于法向的輻射強度乘以輻射方向與法向夾角的余弦值（蘭貝特余弦定律）；⑩測定光通過不透明材料的穿透率隨著材料的厚度和吸收率增大成比例衰減規(guī)律（蘭貝特吸收定律）。

圖8 輻射傳熱模塊

（9）對流和輻射綜合傳熱模塊（見圖9）。該模塊主要用于：①確定在自然對流條件下不同輸入功率總傳熱量；②測量低表面溫度下主導對流傳熱系數(shù)和高表面溫度下主導輻射傳熱系數(shù)；③確定在不同氣流速度下強制對流對熱量傳遞的影響；④圓柱體周圍的局部傳熱系數(shù)的確定。

圖9 對流和輻射綜合傳熱模塊

（10）微尺度池沸騰傳熱實驗模塊（見圖10）。該模塊主要用于：①研究不同微尺度表面（光表面、槽型通道、微陣列、乳突等表面）的沸騰傳熱特性；②觀察氣泡的生長、脫離情況；③獲得不同過冷度下的壁面?zhèn)鳠崽匦浴?/p>

圖10 微尺度池沸騰傳熱實驗模塊

（11）凝結換熱實驗模塊（見圖11）。該模塊主要用于：本實驗將電加熱器內產(chǎn)生的蒸汽通入凝汽器進行冷凝。凝汽器用冷水進行冷卻，通過測量冷卻水的流量和進出口溫度計算冷水的得熱量。通過測量蒸汽的溫度、冷凝溫度和蒸汽的流量可以計算出蒸汽的顯熱和潛熱，進而計算蒸汽凝結過程的散熱量。該實驗臺配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖11 凝結換熱實驗模塊

3 面向創(chuàng)新人才培養(yǎng)的傳熱學實驗模式

圍繞創(chuàng)新人才培養(yǎng)，各高校都在根據(jù)自身特點積極探索，不斷強化實驗在創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中的重要作用，特別是讓本科生進入科研實驗室，在參與科研實驗過程中培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

作為專業(yè)基礎教學實驗室，如何發(fā)揮其培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的作用，是從事本科實驗教學的老師一直探索的主題。本科實驗室重點還是從動手能力、實踐能力培養(yǎng)角度，采取實驗室開放的模式，讓學生自主進行實驗，在驗證課程知識點及原理的基礎上，強化動手能力、處理數(shù)據(jù)能力、綜合分析問題能力的培養(yǎng)，發(fā)揮承擔后續(xù)科學研究實驗承上啟下的作用。

我校熱能與動力工程實驗教學中心于2017 年開始，將建設的傳熱學綜合實驗模塊以開放實驗的模式對創(chuàng)新實驗班和卓越工程師班的學生開放，采用3～4人1 組，每組選擇4～5 個實驗，作為傳熱學課內實驗與傳熱學課程同步進行，在驗證所學知識點及原理規(guī)律的基礎上，強化學生動手能力和實踐能力的培養(yǎng)。2019年配合學校“雙一流”學科的建設，為吳仲華學院單獨開設32 學時傳熱學創(chuàng)新實驗課程，與傳熱學理論課程同一學期開設，從第9 周開始，每周2 次，每次2學時，將每班學生分為9～10 組，每組要求利用11 個實驗模塊開展傳熱學綜合實驗，其中9 個模塊為英國希爾頓公司生產(chǎn)，配有2 臺主機，每個模塊進行實驗必須通過主機相連，由主機提供電源及過電保護，能夠顯示電流和電壓，同時配置熱電偶插槽及選擇按鈕和溫度顯示表盤。9 個模塊只能同時接納2 組同學進行實驗，另外2 個模塊可單獨進行實驗，每次最多可容納5組同學進行實驗。

本實驗為獨立開設，現(xiàn)有實驗臺套數(shù)不能滿足全班同學同時進行。采用開放實驗模式，先按照正常教學計劃安排分組進行必做實驗，其他選做實驗采用開放方式，從第5 周開始即允許學生到實驗室開展實驗，第1 次課集中進行理論講解，包括課程目的、實驗模塊、實驗要求、考核辦法等，然后到實驗室對各實驗模塊及其注意事項進行逐一講解，并進行實驗分組安排。

通過實驗室開放使計劃實驗時間沒有完成的實驗可在課后繼續(xù)進行，同時對計劃課時內不能安排實驗的小組，可選擇合適的時間（晚上或周末等）自主進行，對于實驗中出現(xiàn)的問題可通過微信群發(fā)布，由老師或同學實時解答。

4 實驗考核方式與成績評定

本實驗為單獨開設實驗課，成績以百分計，主要從如下幾個方面考核：①平時成績占30 分，主要考查課內實驗紀律以及實驗過程參與程度；②實驗成績占70分，從3 方面考查：①實驗報告，重點考查分析問題解決問題的能力（40 分）；②通過小組抽簽方式采用PPT匯報一個實驗（由理論課教師和實驗教師組成答辯小組），考查學生的知識點掌握程度及協(xié)同協(xié)作的能力（20 分）；③考查學生創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識（10 分），讓每個學生對實驗模式、實驗臺存在的問題、改進措施、能否拓展新的實驗項目發(fā)表自己的見解和體會，撰寫論文專利等。

5 學生對傳熱學綜合創(chuàng)新實驗模式實施后的體會

自2017 年對創(chuàng)新動1501 班和實踐動1501 班、創(chuàng)新動1601 班、吳仲華1701 班、吳仲華1801 班實施傳熱學綜合創(chuàng)新實驗模式以來，取得較好的效果。學生具體的體會主要有如下幾點：

（1）該實驗模式將傳授知識和培養(yǎng)能力融為一體，由學生全程操作，調動了實驗積極性和鍛煉了動手能力，為將來從事科研打下基礎。

（2）通過傳熱學創(chuàng)新實驗課程，將傳熱學的理論具體化，加深了對知識的理解，促進了動手能力的提高，充分感受到了實驗科學的魅力與困難，做實驗需要充分的耐心，很多實驗需要相當長的時間才能出結果。

（3）采用該實驗模式，驗證教材所學內容，發(fā)現(xiàn)實驗誤差出現(xiàn)的原因，提高自己運用所學知識分析問題，運用軟件處理數(shù)據(jù)，查閱文獻解決問題的能力。

（4）小組之間要分工明確、及時溝通、合作完成實驗，才會事半功倍。

（5）時間靈活，自主操作多，相比傳統(tǒng)一次過的實驗有更深的印象和體會，對實驗過程理解更深刻。在實際操作時，會遇到預料不到的小問題，通過分析研究解決，提高了實踐能力。

6 結語

在“雙一流”學科建設大背景下，如何建設實驗室，如何開展實驗，對于學生實踐能力和創(chuàng)新能力培養(yǎng)至關重要。要結合專業(yè)人才培養(yǎng)目標，以學生為中心，建設適合本科生的綜合實驗平臺，并對學生全面開放，為學生提供獨立操作的機會，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、分析問題以及解決問題的能力，促進理論與實踐的緊密結合，進而培養(yǎng)學生的團隊精神和創(chuàng)新意識，為落實國家創(chuàng)新人才培養(yǎng)戰(zhàn)略實施起推動作用。